CN106931958A - 一种三轴一体式光纤陀螺及其解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴一体式光纤陀螺及其解调方法，所述三轴一体式光纤陀螺包括一个光源、一个耦合器、一个Y波导、一个探测器、一块光源驱动板、一块主电路板以及一个三轴一体光纤环；所述三轴一体光纤环由一根光纤绕制而成，该Y波导的两根输出尾纤分别与三轴一体光纤环的两根尾纤相连；其解调方法包括如下步骤：1）根据三轴一体光纤环及各环面的长度计算出对应的传输时间；2）对Y波导施加本征调制信号；3）通过探测器探测干涉光波信号，得到与光波传输路径相对应的梳状波信号；4）对步骤3）探测到的信号进行解算，实现各环面敏感轴旋转角速率的解调。本发明能够有效缩小光纤陀螺的体积，减轻整体重量，并且大大降低光纤陀螺的成本。

Description

一种三轴一体式光纤陀螺及其解调方法

技术领域

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种三轴一体式光纤陀螺及其解调方法。

背景技术

光纤陀螺是实现角速度测量的敏感器件。单轴光纤陀螺只能实现沿光纤环轴向单个方向的角速度测量。实际应用中常把三只单轴光纤陀螺按两两正交的方式安装在同一个本体结构上组成陀螺惯组，以实现对空间中三个方向角速度的测量。三只单轴光纤陀螺按两两正交的方式组成的陀螺惯组，在体积和重量上通常较大，不适合小型载体安装使用；同时，现有三轴一体光纤陀螺采用了光源一拖三技术，相比三个单轴陀螺节省了两个光源，然而仍然需要三套解算电路及三套敏感光路(三个Y波导、三个光纤环及三个探测器)，成本依然较高。

因此，探索新的光纤陀螺方案、进一步缩小体积、减轻重量并且节省光学器件对于降低系统成本具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种三轴一体式光纤陀螺及其解调方法，能够有效缩小光纤陀螺的体积，减轻整体重量，并且大大降低光纤陀螺的成本。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种三轴一体式光纤陀螺，其特征在于：包括一个光源、一个耦合器、一个Y波导、一个探测器、一块光源驱动板、一块主电路板以及一个三轴一体光纤环；所述三轴一体光纤环由一根光纤绕制而成，其具有三个环面和两根尾纤，且三个环面两两正交；所述光源驱动板与光源相连，所述光源发出的光经耦合器后输入Y波导，该Y波导的两根输出尾纤分别与三轴一体光纤环的两根尾纤相连；

所述探测器与耦合器相连，用于探测绕三轴一体光纤环一周后经Y波导返回的干涉光波信号，并将探测到的光波信号转换成电信号输入主电路板，通过主电路板进行解算后输出三个环面的旋转角速率信号；同时，主电路板对Y波导输入三轴一体光纤环的光波施加本征调制信号，并对绕三轴一体光纤环一周后返回到Y波导的光波信号施加反馈闭环信号。

一种上述三轴一体式光纤陀螺的解调方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)根据三轴一体光纤环及各环面的长度计算出对应的传输时间：

其中：L为三轴一体光纤环的总长度，L₁为环面Ⅰ的绕制长度，L₂为环面Ⅱ的绕制长度，L₃为环面Ⅲ的绕制长度，c为真空中光速，n为光纤的折射率；

2)对Y波导施加本征调制信号，使其产生方波调制信号，且通过调制引入光路中的相位差满足：

式中：Φm为通过调制引入的光学相位差，Φ₀为方波调制幅度，τ为光纤环的传输时间；

3)通过探测器探测干涉光波信号，得到与光波传输路径相对应的梳状波信号，该梳状波信号的周期为2τ，其包括两个τ₁，两个τ₂，两个τ₃；

4)对步骤3)探测到的信号进行解算：

根据各环面的传输时间，对环面的正负调制的两个传输时间内采样，得到光纤陀螺环面的正负采样值：

式中：i为环面编号；

奇偶采样值相减得：

ΔP＝P_-(i)-P₊(i)＝P₀sinΦ₀sinΦ_S(i)……………(4)

由于方波调制幅度一旦确定即为定值，因此P₀sinΦ₀为常数项，用A表示；同时，当Φ_S(i)为小量时，有sinΦ_S(i)＝Φ_S(i)，于是正负采样的差值为：

ΔP＝AΦ_S(i)..........................(5)

由(5)式可知，方波调制下奇偶采样的差值与旋转引起的相位差成正比，能够作为旋转角速率输出；同时，通过闭环控制将总相位差伺服控制的零附近；

闭环控制后奇偶采样值为：

式中：Φf(_i)为环面i的闭环反馈相位，其满足：

Φ_f(i)＝-Φ_S(i).............................(7)

通过以上解调和闭环控制，能够实现各环面敏感轴旋转角速率的解调。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：通过制作三轴一体光纤环，从而实现了利用一套光路组件和一套电路组件实现三轴角速率的测量，不仅有效缩小了整体体积，减轻了整体重量，并且大大降低了三轴光纤陀螺的成本。

附图说明

图1是本发明中三轴一体光纤环的示意图。

图2是本发明三轴一体光纤陀螺结构示意图。

图3是三轴一体光纤陀螺探测器信号示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1、图2，一种三轴一体式光纤陀螺，包括一个光源、一个耦合器、一个Y波导、一个探测器、一块光源驱动板、一块主电路板以及一个三轴一体光纤环。所述三轴一体光纤环由一根光纤绕制而成，其具有三个环面和两根尾纤，且三个环面两两正交；具体实施时，该三轴一体光纤环由一根光纤采用特殊的对称绕制方法绕制而成，能够敏感三个轴的角速率；且光纤在环面之间通过槽过渡。所述光源驱动板与光源相连，所述光源发出的光经耦合器后输入Y波导，该Y波导的两根输出尾纤分别与三轴一体光纤环的两根尾纤相连。

所述探测器与耦合器相连，用于探测绕三轴一体光纤环一周后经Y波导返回的干涉光波信号，并将探测到的光波信号转换成电信号输入主电路板，通过主电路板进行解算后输出三个环面的旋转角速率信号。同时，主电路板对Y波导输入三轴一体光纤环的光波施加本征调制信号，并对绕三轴一体光纤环一周后返回到Y波导的光波信号施加反馈闭环信号。

参见图3，一种如权利要求1所述三轴一体式光纤陀螺的解调方法，包括如下步骤：

1)根据三轴一体光纤环及各环面的长度计算出对应的传输时间：

其中：L为三轴一体光纤环的总长度，L₁为环面Ⅰ的绕制长度，L₂为环面Ⅱ的绕制长度，L₃为环面Ⅲ的绕制长度，c为真空中光速，n为光纤的折射率。

2)对Y波导施加本征调制信号，使其产生方波调制信号，且通过调制引入光路中的相位差满足：

式中：Φm为通过调制引入的光学相位差，Φ₀为方波调制幅度，τ为光纤环的传输时间。

3)通过探测器探测干涉光波信号，得到与光波传输路径相对应的梳状波信号，该梳状波信号的周期为2τ，其包括两个τ₁，两个τ₂，两个τ₃。

4)对步骤3)探测到的信号进行解算：

根据各环面的传输时间，对环面的正负调制的两个传输时间内采样，得到光纤陀螺环面的正负采样值：

式中：i为环面编号。

奇偶采样值相减得：

ΔP＝P_-(i)-P₊(i)＝P₀sinΦ₀sinΦ_S(i)……………(4)

由于方波调制幅度一旦确定即为定值，因此P₀sinΦ₀为常数项，用A表示；同时，当Φ_S(i)为小量时，有sinΦ_S(i)＝Φ_S(i)，于是正负采样的差值为：

ΔP＝AΦS(i).............................(5)

由(5)式可知，方波调制下奇偶采样的差值与旋转引起的相位差成正比，能够作为旋转角速率输出；同时，通过闭环控制将总相位差伺服控制的零附近。

闭环控制后奇偶采样值为：

式中：Φf_(i)为i环面的闭环反馈相位，其满足：

Φ_f(i)＝-Φ_S(i).............................(7)

通过以上解调和闭环控制，能够实现各环面敏感轴旋转角速率的解调。

作为一种具体实施方式，假设光波从Y波导进入光纤环时按环面Ⅰ→环面Ⅱ→环面Ⅲ顺序传播(其他顺序道理类似)，则经过以上调制后，探测器处可探测到梳状波信号，梳状波的周期为2τ，其具体组成为(按时间顺序)τ₁，τ₂，τ₃，τ₁，τ₂，τ₃，即两个τ₁，两个τ₂，两个τ₃。两个τ₁解调环面Ⅲ的角速率，两个τ₂解调环面Ⅱ的角速率，两个τ₃解调环面Ⅲ的角速率。下面以解调环面Ⅰ角速率为例进行解调方法说明。

经过以上方波调制，分别对正负调制的两个τ₁时间内采样，得到光纤陀螺环面Ⅰ的正负采样值：

奇偶采样值相减得：

ΔP＝P_--P₊＝P₀sinΦ₀sinΦ_S1.............................(9)

方波调制幅度一旦确定即为定值，因此P₀sinΦ₀为常数项，可用A表示。另一方面，当Φ_S1为小量时，有sinΦ_S1＝Φ_S1，于是正负采样的差值为：

ΔP＝AΦ_S1.............................(10)

由(5)式可知，方波调制下奇偶采样的差值与旋转引起的相位差成正比，可以作为旋转角速率输出，同时通过闭环控制将总相位差伺服控制的零附近。闭环控制后奇偶采样值为：

式中：Φ_f1为闭环反馈相位，其满足：

Φ_f1＝-Φ_S1.............................(12)

通过以上解调和闭环控制，可以实现绕环面Ⅰ敏感轴旋转角速率的解调。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种三轴一体式光纤陀螺，其特征在于：包括一个光源、一个耦合器、一个Y波导、一个探测器、一块光源驱动板、一块主电路板以及一个三轴一体光纤环；所述三轴一体光纤环由一根光纤绕制而成，其具有三个环面和两根尾纤，且三个环面两两正交；所述光源驱动板与光源相连，所述光源发出的光经耦合器后输入Y波导，该Y波导的两根输出尾纤分别与三轴一体光纤环的两根尾纤相连；

所述探测器与耦合器相连，用于探测绕三轴一体光纤环一周后经Y波导返回的干涉光波信号，并将探测到的光波信号转换成电信号输入主电路板，通过主电路板进行解算后输出三个环面的旋转角速率信号；同时，主电路板对Y波导输入三轴一体光纤环的光波施加本征调制信号，并对绕三轴一体光纤环一周后返回到Y波导的光波信号施加反馈闭环信号。

2.一种如权利要求1所述三轴一体式光纤陀螺的解调方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)根据三轴一体光纤环及各环面的长度计算出对应的传输时间：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{nL}}{c}\\ {\mathrm{\τ}}_1=\frac{n{L}_1}{c}\\ {\mathrm{\τ}}_2=\frac{n{L}_2}{c}\\ {\mathrm{\τ}}_3=\frac{n{L}_3}{c}\end{array}\right....\left(1\right)$

其中：L为三轴一体光纤环的总长度，L₁为环面Ⅰ的绕制长度，L₂为环面Ⅱ的绕制长度，L3为环面Ⅲ的绕制长度，c为真空中光速，n为光纤的折射率；

2)对Y波导施加本征调制信号，使其产生方波调制信号，且通过调制引入光路中的相位差满足：

${\mathrm{\Φ}}_m=\left\{\begin{array}{cc}+{\mathrm{\Φ}}_0& 0\≤t\≤\mathrm{\τ}\\ -{\mathrm{\Φ}}_0& \mathrm{\τ}\≤t\≤2\mathrm{\τ}\end{array}\right....\left(2\right)$

式中：Φm为通过调制引入的光学相位差，Φ₀为方波调制幅度，τ为光纤环的传输时间；

3)通过探测器探测干涉光波信号，得到与光波传输路径相对应的梳状波信号，该梳状波信号的周期为2τ，其包括两个τ₁，两个τ₂，两个τ₃；

4)对步骤3)探测到的信号进行解算：

根据各环面的传输时间，对环面的正负调制的两个传输时间内采样，得到光纤陀螺环面的正负采样值：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{+}\left(i\right)=\frac{P_0}{2}\left[\begin{array}{cc}1+\cos & {\mathrm{\Φ}}_{S\left(i\right)}+{\mathrm{\Φ}}_0\end{array}\right]\\ P_{-}\left(i\right)=\frac{P_0}{2}\left[\begin{array}{cc}1+\cos & {\mathrm{\Φ}}_{S\left(i\right)}-{\mathrm{\Φ}}_0\end{array}\right]\end{array}\right....\left(3\right)$

式中：i为环面编号；

奇偶采样值相减得：

ΔP＝P_-(i)-P₊(i)＝P₀ sinΦ₀ sinΦ_S(i)……………(4)

由于方波调制幅度一旦确定即为定值，因此P₀sinΦ₀为常数项，用A表示；同时，当Φ_S(i)为小量时，有sinΦ_S(i)＝Φ_S(i)，于是正负采样的差值为：

ΔP＝AΦ_S(i).............................(5)

由(5)式可知，方波调制下奇偶采样的差值与旋转引起的相位差成正比，能够作为旋转角速率输出；同时，通过闭环控制将总相位差伺服控制的零附近；

闭环控制后奇偶采样值为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{+}\left(i\right)=\frac{P_0}{2}\left[\begin{array}{cc}1+\cos & {\mathrm{\Φ}}_{S\left(i\right)}+{\mathrm{\Φ}}_0+{\mathrm{\Φ}}_{f\left(i\right)}\end{array}\right]\\ P_{-}\left(i\right)=\frac{P_0}{2}\left[\begin{array}{cc}1+\cos & {\mathrm{\Φ}}_{S\left(i\right)}-{\mathrm{\Φ}}_0+{\mathrm{\Φ}}_{f\left(i\right)}\end{array}\right]\end{array}\right....\left(6\right)$

式中：Φ_f(i)为环面i的闭环反馈相位，其满足：

Φ_f(i)＝-Φ_S(i).............................(7)

通过以上解调和闭环控制，能够实现各环面敏感轴旋转角速率的解调。